ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN
NGUYỄN NHƯ BẢO CHÍNH
NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CỦA OZONE
TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRONG Sự TƯƠNG QUAN
VỚI CÁC CHẤT TIỀN THÂN
Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
Mã số chuyên ngành: 60 85 02
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TÔ THỊ HIỀN
TP.Hồ Chí Minh - 2012
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn của tôi - TS. Tô
Thị Hiền. Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, cô đã hết lòng giúp đỡ, góp ý và tạo những
điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này.
Tiếp đến tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Môi Trường, trường đại
học Khoa học Tự nhiên đã quan tâm, theo dõi quá trình thực hiện luận văn của tôi thông qua
những buổi seminar. Qua đó, tôi đã tiếp nhận được nhiều nhận xét quý báu để hoàn chỉnh
luận văn này.
Sau cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và
các bạn sinh viên đã ủng hộ, động viên giúp tôi vượt qua những giai đoạn khó khăn.
Mặc dù tác giả đã cố gắng hoàn thiện đề tài này nhưng luận văn chắc chắn không
tránh khỏi những sai sót. Tác giả mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và người đọc.
Nguyễn Như Bảo Chính
Đề tài bước đầu nghiên cứu hiện trạng và hóa học khí quyển của ozone tại thành phố
Hồ Chí Minh. Nồng độ ozone, NO, NO
2
được đo tại vị trí trường đại học Khoa học Tự
nhiên-cơ sở Nguyễn Văn Cừ và các vị trí khác từ tháng 10/2011 đến tháng 04/2012. Kết quả
cho thấy nồng độ ozone khác nhau tại các vị trí khảo sát, nồng độ ozone dao động từ 0.00
respectively dry season and rainy season. December - 2011 is the month ozone reachs
highest (mean 31.69 ± 23.33 ppb, max 124.87 ppb). The hight ozone concentration in
Hochiminh city is the result of high rate photolysis of NO
2
(0.68 min
-1
) and mutual affection
of NOx (NO + NO
2
), volatile organic compounds (VOCs) and CO. Analysis data shows that
ozone in sites is NOx limited regime. Addition, ozone is also effected bay meteorological
parameters. Linear regression model is established and shows that 50.8% ozone variation
due to NO, NO
2
, sunlight radiation, UV radiation, wind speed, wind direct, temperature,
moisture.
Key words: ozone, nitrogen oxides, photolysis, urban, seasonal, diurnal.
LỜI CẢM ƠN i
TÓM TẮT ii
ABSTRACT iii
CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH viii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3
1.1.
Giới thiệu về ozone 3
1.1.1. Tính chất của ozone 3
1.1.2. Nguồn gốc hình thành ozone trong tầng đối lưu 4
1.1.3. Ảnh hưởng của chất tiền thân tới sự hình thành và phân hủy ozone 6
3.1.4. So sánh sự khác biệt ozone ở thành phố Hồ Chí Minh và một số nghiên cứu39
3.2.
Ảnh hưởng của các chất tiền thân đến sự hình thành ozone 42
3.2.1.
Quan hệ biến đổi giữa nồng độ ozone và NO
x
42
3.2.2. Ảnh hưởng của các chất tiền thân qua tỉ số NO/NO
2
45
3.3. Ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng đến sự biến đổi của ozone 49
3.3.1. Ảnh hưởng của hướng gió 49
3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm 54
3.3.3. Ảnh hưởng của bức xạ tổng và bức xạ UV 56
3.4. Ảnh hưởng tổng hợp của các yếu tố khí tượng và chất tiền thân 57
KẾT LUẬN 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO 63Bảng 1. 1: Tiêu chuẩn ozone của một số quốc gia, tổ chức 12
Bảng 1. 2: Xu hướng gia tăng của ozone tại các trạm nền 13
Bảng 1. 3: Các khu công nghiệp tại thành phố Hồ Chí Minh 20
Bảng 3. 1: Nồng độ ozone từng tháng từ tháng 10/2011 đến 04/2012 38
Bảng 3. 2: Nồng độ ozone tại một số khuc vực trên thế giới 40
Bảng 3. 3: Ma trận tương quan của các biến và mức ý nghĩa của tương quan 58
Bảng 3. 4: Thông số mô hình hồi quy đa biến mô phỏng mối tương quan giữa ozone và các
yếu tố khác 59
Hình 1.1: Cấu tạo phân tử ozone 3
Hình 1.2: Quá trình quang hóa các hợp chất ô nhiễm từ khi hình thành, chuyển hóa đến
loại bỏ 6
Volatile oganic compound
Các hợp chất hữu cơ bay hơi
Hình 1. 4: Phản ứng của O
3
và hợp chất nitrogen vào ban đêm 10
Hình 1. 5: Mối liên hệ giữa nồng độ ozone và sự suy giảm sản lượng cây trồng.
[15]
11
Hình 1.6: Xu hướng gia tăng nồng độ ozone trong thế kỷ 20 tại vĩ độ giữa của Bắc bán
cầu
[15]
14
Hình 1. 7: Sơ đồ định hướng phát triển các khu công nghệp và khu chế xuất đến năm
2020 tại thành phố Hồ Chí Minh 20
Hình 2. 1: Sơ đồ vị trí lấy mẫu 24
Hình 2. 2: Sơ đồ hệ thống làm sạch túi Tedlar 26
Hình 2. 3: Sơ đồ lắp ráp thiết bị khi lấy mẫu 27
Hình 2. 4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động Ozone Analyzer 49i 28
Hình 2. 5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động NO
x
Analyzer 42i 29
Hình 3. 1: Biểu đồ đồng mức thể hiện nồng độ ozone từng ngày trong tháng liên tục từ
10/2011 đến 04/2012. (a:10/2011, b: 11/2011, c: 12/2011, d: 01/2012, e: 02/2012, f:
03/2012, g: 04/2012) 32
Hình 3. 2: Sự biến đổi giá trị nồng độ ozone trung bình trong ngày 33
Hình 3. 3: Sự biến đổi trung bình ngày hằng tháng từ 10/2011đến 04/2012 của ozone
34
Hình 3. 4: Sự biến thiên nồng độ O
3
Hình 3. 11: Tỉ số NO/NO
2
trong điều kiện phát thải bình thường 47
Hình 3. 12: Chênh lệch giá trị O
3
(hình a) và giá trị NO/NO
2
(hình b) giữa điều kiện
cân bằng quang hóa và phát thải thông thường 48
Hình 3. 13: Sự chênh lệch nồng độ NO (a) và NO
2
(b) trong điều kiện cân bằng và điều
kiện phát thải bình thường 48
Hình 3. 14: Biểu đồ hoa gió thể hiện hướng và vận tốc gió trong các tháng khảo sát (hình a:
10/2011, hình b: 11/2011, hình c: 12/2011, hình d: 01/2012, hình e: 02/2012,
hình f: 03/2012, hình g: 04/2012) 51
Hình 3. 15: Biểu đồ phân bố nồng độ ozone theo hướng gió 52
Hình 3. 16: Sự phân bố nồng độ ozone tại các vị trí quan trắc trong tháng 04/2012 53
Hình 3. 17: Tương quan giữa nồng độ ozone và nhiệt độ (hình a), tương quan giữa NO2
và nhiệt độ (hình b) 55
Hình 3. 18: Thể hiện tương quan giữa nồng độ ozone và độ ẩm 55
Hình 3. 19: Tương quan giữa nồng độ ozone và tổng bức xạ được thể hiện trong hình a,
tương quan giữa O
3
và tổngbức xạ được thể hiện trong hình b 56
Hình 3. 20: Tương quan giữa nồng độ NO
2
với bức xạ tổng (hình a) và với bức xạ UV (hình
b) 57
MỞ ĐẦU
Nội dung và phạm vi nghiên cứu
• Xác định nồng độ ozone và các chất NO, NO
2
tại bốn vị trí (Trường đại học
Khoa học Tự nhiên-cơ sở Nguyễn Văn Cừ, Trường đại học Khoa học Tự
nhiên-cơ sở Linh Trung, Thảo Cầm Viên Sài Gòn, Trạm khí tượng Thủy văn
Nhà Bè).
• Đánh giá ảnh hưởng của các chất tiền thân qua phân tích tỉ số NO/NO2.
• Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng lên sự thay đổi của ozone.
• Đánh giá ảnh hưởng tổng hợp của các yếu tố khí tượng và chất tiền thân lên
sự thay đổi của ozone.
Phương pháp nghiên cứu
• Phương pháp thực nghiêm:
- Lấy nồng độ NO, NO
2
, O
3
bằng túi khí và bằng hệ thống tự động.
- Phân tích nồng độ NO, NO
2
bằng phương pháp phát quang hóa học.
- Phân tích nồng độ ozone bằng phương pháp hấp thu UV.
• Phương pháp thu thập dữ liệu:
- Thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm, bức xạ tổng, bức xạ UV, hướng gió,
vận tốc gió tại trạm Khí tượng Thủy văn Nhà Bè, trạm Khí tượng Tân
Sơn Hòa, sân bay quốc tế Tân Sơn Nhất.
• Phương pháp xử lý số liệu:
- Sử dụng các phương pháp hồi quy tuyến tính đơn biến, đa biến, các
kiểm định thống kê trên phần mềm thống kê SPSS 13.0, Sigma plot
12.0, Golden Solfware Grapher 9.0, Excel 2007.
x
và VOCs.
1.1.2. Nguồn gốc hình thành ozone trong tầng đối lưu
Ozone hiện diện nhiều nhất trong tầng bình lưu hình thành do sự kết hợp giữa
nguyên tử oxygen và phân tử oxygen. Nguyên tử oxygen hình thành do sự quang phân phân
tử oxygen dưới tác dụng của bức xạ UV. Ở tầng đối lưu, rất ít các bức xạ UV có khả năng
quang phân đi xuống được tầng đối lưu vì vậy ozone trong tầng đối lưu hình thành theo
những cách khác.
Sự hình thành và phân hủy ozone trong tầng đối lưu là do cơ chế phản ứng dây
Hình 1.1: Cấu tạo phân tử ozone
chuyền của CO, VOCs dưới sự hiện diện của NO
x
trong đó NO
2
đóng vai trò quan trọng.
NO
2
thường phát sinh trong không khí từ quá trình oxy hóa NO bởi oxygen (phản ứng 1) và
bởi ozone (phản ứng 2). Bức xạ sóng ngắn (Ằ < 420 nm) cung cấp năng lượng cho quá trình
quang phân NO
2
để sinh ra O(
3
P) (phản ứng 3) và từ đó hình thành phân tử ozone (phản ứng
4).
Sự có mặt của CO và VOCs thúc đẩy sự hình thành NO
2
nhiều hơn và giảm lượng
2
— ROO^ + H
2
O (7)
2NO + O2 — 2NO2
(1)
NO + O3 —— NO2 + O2
(2)
NO
2
+ hv (L<420 nm)
— NO + O(
3
P)
(3)
O(
3
P) + O2 + M — O3
+ M
(4)
O3 + hu —— O2 + O(
1
D)
(5)
O(
1
D) + H
dụ
minh họa như hình Hình 1.2.
CO + HO^ —
H + CO2
(11)
H + O
2
+ M
— HOO^ + M
(12)
HOO^ + NO -
— HO^ + NO2
(13) Hình 1.2: Quá trình quang hóa các hợp chất ô nhiễm từ khi hình thành, chuyển hóa
đến loại bỏ.
Khi không có sự can thiệp của các tác nhân nào các phản ứng từ (2) đến (4) xảy ra
liên tục và cân bằng. Vòng tuần hoàn phản ứng giữa các chất này tạo thành
một trạng thái gọi là trạng thái cân bằng quang hóa, nồng độ các chất này tại
trạng thái cân bằng được thể hiện bằng phương trình của Leighton năm 1961
[52]
.
[O3] =
j
3
[N0
2
]/k
2
và V0Cs sự hình thành ozone
liên quan tới sự phối trộn giữa N0
x
và V0Cs. Tỉ lệ N0
x
/V 0Cs tối ưu cho sự hình thành ozone
là từ 1:5-1:10
[9, 35, 79]
. Tùy vào tỉ lệ phối trộn trong không khí mà sự hình thành ozone sẽ phụ
thuộc vào N0
x
hay V0Cs nhiều hơn.
Theo Seinfeld và Pandis (2006)
[79]
, trong điều kiện không khí xung quanh hằng số tốc
độ phản ứng N0
x
+ H0^ xấp xỉ 1.7 x 10
4
ppm
-1
min
-1
và tốc độ phản ứng V0Cs (quy về carbon
nguyên tử) với H0^ trong đô thị là 3.1 x 10
3
ppmC
1
min
1[79]
Bức xạ ở đây đóng vai trò quan trọng như là xúc tác để phản ứng (3) xảy ra và phản ứng này
chỉ xảy ra với các bước sóng nhỏ hơn 420 nm. Cường độ bức xạ càng mạnh thì tỉ lệ các bước
sóng có khả năng quang phân càng lớn, lượng NO
2
bị quang phân càng nhiều và ozone hình
thành nhiều hơn. Vào mùa hè cường độ bức xạ lớn, nồng độ ozone là lớn nhất trong năm.
Cường độ bức xạ mặt trời rất thấp vào mùa đông và nồng độ ozone cũng rất thấp trong thời
gian này. Bên cạnh đó, sự biến thiên nồng độ ozone trong ngày cao vào ban ngày và thấp
vào ban đêm, vì ban đêm bức xạ mặt trời không hiện diện.
- Nhiệt độ và độ ẩm tương đối:
Nhiệt độ là một đại lượng biểu thị cho cường độ bức xạ mặt trời, có ảnh hưởng rất
lớn đến tốc độ các phản ứng quang hóa hình thành ozone trong không khí. Trong các nghiên
cứu tại Nhật Bản cũng như tại các khu vực Đông Nam Á, cho thấy nồng độ ozone có mối
tương quan thuận với nhiệt độ, tương quan nghịch với độ ẩm tương đối trong không khí.
Nhiệt độ càng cao cũng góp phần gia tăng lượng phát thải các tiền chất sản sinh ozone, đồng
thời các tiền chất như NO
x
có mối tương quan thuận với độ ẩm tương đối trong không khí.
Độ ẩm càng thấp thì khả năng pha loãng và khuếch tán chất ô nhiễm càng cao.
Ị
m Ạ J A ^ 1_ ĩ _ _ _ • f .
- Tốc độ và hướng gió:
Tốc độ gió thể hiện sự chênh lệch áp suất tại các khu vực, và chi phối đến sự pha
loãng, tích tụ hoặc lan truyền của các chất ô nhiễm trong khí quyển. Các nghiên cứu tại khu
vực nông thôn và đô thị ở Nhật Bản của Ryozo Ooka
[69]
đã cho thấy tầm quan trọng của gió
trong sự tích tụ và phân tán ozone tại khu vực. Ở nhiệt độ cao, tốc độ gió thấp có thể làm
tăng tốc độ hình thành và tích tụ ozone với nồng độ lớn. Ngược lại khi vận tốc gió lớn, các
tiền chất và ozone có thể được vận chuyển đi xa hơn so với vị trí phát thải nhờ vào tốc độ
gốc tự do HOV Quá trình oxy hóa trong không khí vào ban ngày nhờ đó bắt đầu xảy ra.
- Tác động của ozone đến thực vật:
Do khả năng oxy hóa mạnh của mình, ozone trở thành chất có hại cho sức khỏe con
người và sinh vật khi ở nồng độ cao thông qua việc hình thành các hợp chất trung gian. Đối
với thực vật, ozone đi vào lá thông qua các lỗ trao đổi khí và phản ứng với hợp chất trong tế
bào lá gây ra các triệu chứng bệnh cho thực vật. Các nghiên cứu phơi nhiễm ozone ở thực
vật thực được hiện trong các buồng thí nghiệm cho thấy có sự liên quan giữa nồng độ ozone
trong không khí với các triệu chứng trên thực vật. Nghiên cứu của “Mạng lưới đánh giá thiệt
hại mùa màng quốc gia” của Hoa Kỳ trong nhiều năm cho thấy khi nồng độ ozone trong
không khí cao hơn 100 ppb sản lượng nhiều loại cây trồng giảm tới 50.0%.
Hình 1. 5: Mối liên hệ giữa nồng độ ozone và sự suy giảm sản lượng cây
trồng/
15
Tác động của ozone đến sức khỏe con người:
Các kết quả nghiên cứu khoa học thống nhất rằng ô nhiễm không khí có ảnh hưởng
đến tỉ lệ tử vong và bệnh tật. Trong các nghiên cứu dịch tễ có kiểm soát thực hiện trên người
trưởng thành cũng như trên động vật đã cho thấy ảnh hưởng sức khỏe của ozone lên sức
khỏe con người. Nghiên cứu cho thấy phơi nhiễm với ozone ở nồng độ cao có liên quan tới
viêm phổi, tổn thương biểu mô, tăng nhiễm khuẩn và làm trầm trọng thêm các triệu chứng
viêm do virus. Ozone làm giảm các chức năng phổi, khó thở sâu, đau khi thở sâu và gây thở
ngắn
[30]
. Trong thí nghiệm trên động vật, với nồng độ trên 120 ppb, tế bào phế nang loại I
nhanh chóng bị phá hủy trong khi ở các tế bào phế nang loại II số lượng thực bào và bạch
cầu gia tăng. Ở nồng độ 300-400 ppb, nhận thấy sự thay đổi chức năng phổi như giảm sức đề
kháng của khí quản, rối loạn hô hấp. Với người bị hen, tiếp xúc với ozone nồng độ 80 ppb
trở lên gây ra giảm thể tích hô hấp trong quá trình luyện tập thể dục
120 gg/m
3
*
(56.8 ppb)
60 ppb ***
120 gg/m
3
* (60 ppb)
180 gg/m
3
-1h (85.2 ppb-
1h) Cảnh báo:
120 ppb***
120 gg/m
3
-3h (56.8 ppb-
3h) Cảnh báo nguy hiểm 240
ppb***
80 gg/m
3
-24h (37.9 ppb-
24h)
+ 1.3 ± 1.7
[54]
Tateno, Japan
1969-1982
Near surface
+ 2.3 ± 1.0
[541
Mauna Loa, Hawaii
1974-2001
Surface (3397 m)
+ 0.15 ± 0.06
b
[46]
Cape Grim, Australia
1982-1995
Surface (104 m)
+ 0.18 ± 0.14
[68]
Cape Point, S. Africa
1983-1995
Surface (260 m)
+ 0.53 ± 0.34
[68]
Alert, Nunavut
1987-2001
Surface (62m)
+ 1.2 ± 0.8
[87]
Eureka, Nunavut
Mace Head, Ireland
1987-1995
Surface (25 m)
+ 0.19
b
[83]
Saturna Island, B.C
1991-2000
Surface (178 m)
+ 0.94 ± 0.74
[93]
Lassen Volcanic Nat.
1988-2002
Surface (1756 m)
+ 0.60 ± 0.30
[37]
Park, Californiaa Wallops
Island, Virginia
1970-1981
Near surface
+ 0.9 ± 1.2
[54]
1970-1995
Lower troposphere
+ 0.06 ± 0.24
[68]
Whiteface Mountain, N.Y
1974-1995
Surface (1480 m)
Surface (975 m)
+ 0.9 ± 0.3
[56]
Germany
1971-1988
Lower
Troposphere
+ 1.02 ± 0.60
[68]
1967-1995
+ 1.48 ± 0.22
Dresden, Germany
1952-1984
+ 2.6 ± 1.6
[29]
Kalternnordheim, Germany
1955-1983
+ 3.1 ± 2.1
[29]
Gr. Inselberg, Germany
1972-1983
+ 3.1 ± 2.4
[29]
Fichtelberg, Germany
1954-1984
+ 1.1 ± 2.0
tốc độ chỉ là 0.5% một năm. Sự khác biệt có thể là kết quả của nhiều yếu tố kết hợp bao gồm
quá trình quang hóa, sự thay đổi lưu thông không khí, sự lắng đọng hay chất lượng không
khí trong khu vực.
f,0
Kagosíiima -Spring (Bourxlary Layer)
nHHIM
(Boorvlary Layor)
(Đounđary Layer)
(1BOO m)
soriur tu'upean
■nouOĩáin
MOÍ1I Souns
Hình 1.6: Xu hướng gia tăng nồng độ ozone trong thế kỷ 20 tại vĩ độ giữa của Bắc
bán cầu
[15]
Từ những năm 1970 đến giữa những năm 1980, xu hướng biến đổi trên quy mô lớn
của ozone được xem xét mặc dù dữ liệu giữa các trạm không phù hợp với nhau và không thể
so sánh trực tiếp giữa các trạm này với nhau. Nhưng khi nhóm các trạm này
Copyright: Tài liệu đại học ©